EP3396815A1

EP3396815A1 - Stator for an electric rotating machine with redundant winding systems

Info

Publication number: EP3396815A1
Application number: EP17168384.0A
Authority: EP
Inventors: Matthias Centner; Matthias Lang; Sebastian Strüver
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-10-31
Also published as: WO2018197527A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (8) für eine elektrische rotierende Maschine (2), wobei der Stator (8) Statornuten (22) aufweist, in denen eine Statorwicklung (20) mit redundanten und zumindest dreiphasigen Wicklungssystemen (U1,V1, W1; U2,V2,W2) verlegt ist. Um, im Vergleich zum Stand der Technik, verbesserte elektrische Betriebseigenschaften zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Statorwicklung (20) als Bruchlochwicklung ausgeführt ist.The invention relates to a stator (8) for an electric rotating machine (2), wherein the stator (8) has stator slots (22) in which a stator winding (20) with redundant and at least three-phase winding systems (U1, V1, W1; U2 , V2, W2). In order to achieve improved electrical operating characteristics compared to the prior art, it is proposed that the stator winding (20) be designed as a break hole winding.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische rotierende Maschine, wobei der Stator Statornuten aufweist, in denen eine Statorwicklung mit redundanten und zumindest dreiphasigen Wicklungssystemen verlegt ist.The invention relates to a stator for an electric rotating machine, wherein the stator has stator slots in which a stator winding with redundant and at least three-phase winding systems is laid.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektrische rotierende Maschine mit mindestens einem derartigen Stator.Moreover, the invention relates to an electric rotating machine with at least one such stator.

Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserfahrzeug, insbesondere Schiff, mit mindestens einer derartigen elektrischen rotierenden Maschine.Furthermore, the invention relates to a watercraft, in particular ship, with at least one such electric rotating machine.

Derartige elektrische rotierende Maschinen, insbesondere mit einer Leistung von mindestens einem Megawatt, werden insbesondere in Wasserfahrzeugen, beispielsweise in Schiffen und Unterseebooten eingesetzt. Derartige Antriebe für Wasserfahrzeuge werden häufig bei geringen Drehzahlen betrieben und sind hochpolig, beispielsweise mit mindestens zehn Polen, ausgeführt. Bei Wasserfahrzeugen besteht die Forderung nach einer Redundanz des Antriebs, sodass bei einem Ausfall, beispielsweise eines Umrichters, oder bei einem Schaden, beispielsweise innerhalb einer Wicklung, der Antrieb, zumindest mit verminderter Leistung, betrieben werden kann, um beispielsweise die Manövrierfähigkeit des Schiffes zu gewährleisten. Eine Redundanz wird innerhalb eines Antriebsmotors durch mindestens zwei getrennte Wicklungssysteme hergestellt, die jeweils von einem eigenen Umrichter betrieben werden. Die getrennten Wicklungssysteme müssen so ausgeführt sein, dass sich sowohl in einem Betrieb mit nur einem System als auch in einem Betrieb mit allen Systemen ein Magnetfeld mit der richtigen Polzahl und einer guten Feldverteilung möglichst oberwellenarm ausbildet. Ferner muss das Überkoppeln zwischen den Wicklungssystemen möglichst gering sein, damit sich die Wicklungssysteme, insbesondere um einen ungestörten Umrichterbetrieb zu ermöglichen, nicht gegenseitig beeinflussen.Such electric rotating machines, in particular with a power of at least one megawatt, are used in particular in watercraft, for example in ships and submarines. Such drives for watercraft are often operated at low speeds and are high-pole, for example, with at least ten poles executed. In the case of watercraft there is a requirement for a redundancy of the drive, so that in case of failure, such as an inverter, or damage, for example within a winding, the drive, at least with reduced power, can be operated to ensure, for example, the maneuverability of the ship , A redundancy is produced within a drive motor by at least two separate winding systems, each of which is operated by its own inverter. The separate winding systems must be designed so that a magnetic field with the correct number of poles and a good field distribution forms as low as possible in a single-system operation as well as in an operation with all systems. Furthermore, the coupling between the Winding systems should be as low as possible, so that the winding systems, in particular to allow undisturbed inverter operation, do not influence each other.

Die Patentschrift EP 2 016 661 B1 beschreibt eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei der Stator Statornuten aufweist, in denen eine Statorwicklung mit redundanten und zumindest dreiphasigen Wicklungssystemen verlegt ist. Die elektrische Maschine weist eine Vielzahl von Polen mit einer Polzahl von mindestens vier, eine Anzahl von Statornuten, die dem Produkt aus einer Phasenzahl und dem Quadrat der Polzahl der elektrischen Maschine oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht, sowie eine der Polzahl entsprechende Anzahl von Wicklungssystemen auf. Jeweils eine der Polzahl entsprechende Anzahl von phasengleichen Strängen sind zu einer Phasenstranggruppe zusammengefasst. Die Phasenstranggruppen sind phasenzyklisch und Pol für Pol in den Statornuten des Stators verlegt. Je Pol und Phasenstranggruppe ist jeweils ein der Polzahl entsprechender Nutbereich vorhanden. Die Nutbelegung erfolgt so, dass die phasengleichen Stränge entsprechend ihrer Nummerierung gleichmäßig auf die Nutpositionen der zugehörigen Nutbereiche verteilt sind.The patent EP 2 016 661 B1 describes an electrical machine having a stator and a rotor, the stator having stator slots in which a stator winding is laid with redundant and at least three-phase winding systems. The electric machine has a plurality of poles having a pole number of at least four, a number of stator slots corresponding to the product of a phase number and the square of the number of poles of the electric machine or an integer multiple thereof, and a number of winding systems corresponding to the number of poles , In each case one of the number of poles corresponding number of in-phase strings are combined to form a phase group. The phase groups are phase-locked and pole by pole laid in the stator slots of the stator. Depending pole and phase group each one of the number of poles corresponding groove area is present. The slot assignment is made so that the in-phase strings are distributed evenly according to their numbering on the groove positions of the associated Nutbereiche.

Die Offenlegungsschrift WO 2007/141230 A1 beschreibt einen Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einem Rotor, dessen Pole als Klauenpole ausgebildet sind. Zur Verbesserung der Gestaltungsmöglichkeiten des Stators der Maschine wird dessen mehrphasige Wicklung als Bruchlochwicklung ausgeführt, wodurch insbesondere hinsichtlich der Auswahl der Nutenzahl viele zusätzliche Möglichkeiten geschaffen werden, durch welche sowohl die Fertigung deutlich vereinfacht und verbilligt als auch gleichzeitig die elektrischen Eigenschaften verbessert werden können.The publication WO 2007/141230 A1 describes an alternator for motor vehicles with a rotor whose poles are designed as claw poles. To improve the design possibilities of the stator of the machine whose multi-phase winding is designed as a break hole winding, which many additional possibilities are created in particular with regard to the selection of the number of slots, by which both the production much easier and cheaper and at the same time the electrical properties can be improved.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stator für eine elektrische rotierende Maschine mit redundanten Wicklungssystemen bereitzustellen, der, im Vergleich zum Stand der Technik, verbesserte elektrische Betriebseigenschaften aufweist.The invention has for its object to provide a stator for an electric rotating machine with redundant winding systems, which, compared to the state technology, has improved electrical operating characteristics.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stator der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Statorwicklung als Bruchlochwicklung ausgeführt ist.This object is achieved by a stator of the type mentioned, wherein the stator winding is designed as a broken hole winding.

Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine elektrische rotierende Maschine mit mindestens einem derartigen Stator gelöst.In addition, the object is achieved by an electric rotating machine with at least one such stator.

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Wasserfahrzeug, insbesondere Schiff, mit mindestens einer derartigen elektrischen rotierenden Maschine gelöst.Furthermore, the object is achieved by a watercraft, especially ship, with at least one such electric rotating machine.

Die in Bezug auf den Stator nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf die elektrische rotierende Maschine und das Wasserfahrzeug übertragen.The advantages and preferred embodiments set forth below with respect to the stator can be applied analogously to the electric rotating machine and the watercraft.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die elektrische Performance, insbesondere den Feldverlauf und das Überkoppeln zwischen den redundanten Wicklungssystemen zu verbessern. Dies wird erreicht, indem die Statorwicklung als Bruchlochwicklung ausgeführt ist. Bei einer Bruchlochwicklung ist eine Lochzahl, die sich aus dem Quotienten einer Nutzahl des Stators, dividiert durch das Produkt aus einer Polzahl 2p und einer Phasenzahl berechnet, keine ganze Zahl sondern eine Bruchzahl. Durch eine Bruchlochwicklung ergibt sich eine größere Flexibilität hinsichtlich der Nutzahl des Stators, sodass sich mehr Freiheitsgrade hinsichtlich einer Optimierung der Wicklungssysteme, beispielsweise um ein geringes Überkoppeln und/oder ein verbessertes Feldspektrum zu erreichen, ergeben. Im Vergleich zu ganzzahligen Lochzahlen werden insbesondere elektrische Nachteile bei der Auslegung und Herstellung der Wicklungssysteme zumindest deutlich reduziert.The invention is based on the consideration to improve the electrical performance, in particular the field characteristics and the coupling between the redundant winding systems. This is achieved by the stator winding is designed as a broken hole winding. In a broken hole winding, a number of holes calculated from the quotient of a number of slots of the stator divided by the product of a pole number 2p and a number of phases is not a whole number but a fractional number. By a Bruchlochwicklung results in greater flexibility in terms of the number of slots of the stator, so that more degrees of freedom with regard to optimizing the winding systems, for example, to achieve a low overcoupling and / or an improved field spectrum arise. Compared to integer number of holes, in particular electrical disadvantages in the design and manufacture of the winding systems are at least significantly reduced.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Statorwicklung als Zweischichtwicklung ausgeführt, wobei in jeder der Statornuten Spulen desselben Wicklungssystems angeordnet sind. Bei einer Zweischichtwicklung weisen die Spulen des Stators eine gleichmäßige Form auf und sind, insbesondere bei einer Ausführung als Formspulen, günstiger herzustellen. Ferner sind bei einer Zweischichtwicklung beliebige Sehnungen und Zonenänderungen ausführbar. Beispielsweise wird bei einer 5/6 Sehnung eine Unterdrückung der 5. und 7. Harmonischen erzielt. Da in jeder der Statornuten Spulen desselben Wicklungssystems angeordnet sind, wird das Überkoppeln zwischen den Wicklungssystemen minimiert, was zu einer Verbesserung der Regelungseigenschaften bei einer Regelung in den Umrichtern, führt.In a preferred embodiment, the stator winding is designed as a two-layer winding, wherein coils of the same winding system are arranged in each of the stator slots. In the case of a two-layer winding, the coils of the stator have a uniform shape and, in particular in the case of a design as form coils, are cheaper to produce. Furthermore, with a two-layer winding, any desired changes and zone changes can be executed. For example, with a 5/6 chord, the 5th and 7th harmonics are suppressed. Since coils of the same winding system are arranged in each of the stator slots, the over-coupling between the winding systems is minimized, which leads to an improvement in the control characteristics in a control in the converters.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind in den jeweils benachbarten Statornuten jeder Statornut Spulen eines weiteren Wicklungssystems angeordnet. Insbesondere sind die Statornuten alternierend von Spulen des ersten Wicklungssystems und des zweiten Wicklungssystems besetzt. Eine derartige Anordnung der Spulen der jeweiligen Wicklungssysteme wirkt sich positiv auf das Überkoppeln und auf den Feldverlauf aus.In a further advantageous embodiment, coils of a further winding system are arranged in the respectively adjacent stator slots of each stator slot. In particular, the stator slots are alternately occupied by coils of the first winding system and the second winding system. Such an arrangement of the coils of the respective winding systems has a positive effect on the over-coupling and on the field profile.

Besonders vorteilhaft sind in einer ersten Statornut zwei Spulen einer ersten Phase angeordnet, wobei in einer der ersten Statornut benachbarten zweiten Statornut eine erste Spule der ersten Phase und eine zweite Spule einer zweiten Phase angeordnet sind und wobei in einer der zweiten Statornut benachbarten dritten Statornut zwei Spulen der zweiten Phase angeordnet sind. Da den Spulen der jeweiligen Phasen jeweils unterschiedliche Wicklungssysteme zuordenbar sind, bietet die Beschaltung eine große Flexibilität hinsichtlich einer Optimierung, beispielsweise bezüglich des Überkoppelns und des Feldverlaufs.Two coils of a first phase are particularly advantageously arranged in a first stator slot, wherein a first coil of the first phase and a second coil of a second phase are arranged in one of the first stator slot and two coils in one of the second stator slot adjacent to the third stator slot the second phase are arranged. Since the coils of the respective phases in each case different winding systems can be assigned, the wiring offers a great deal of flexibility in terms of optimization, for example with respect to the over-coupling and the field profile.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind in der ersten Statornut und in der dritten Statornut Spulen des ersten Wicklungssystems angeordnet, wobei in der zweiten Statornut Spulen des zweiten Wicklungssystems angeordnet sind. Eine derartige alternierende Belegung der Statornuten führt zu einer Verringerung des Überkoppelns zwischen den Wicklungssystemen.In an advantageous embodiment, coils of the first winding system are arranged in the first stator slot and in the third stator slot, wherein in the second stator slot Coils of the second winding system are arranged. Such an alternating occupation of the stator slots leads to a reduction of the overcoupling between the winding systems.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind eine Stromrichtung der Ströme durch die Spulen der ersten Statornut und der ersten Spule der zweiten Statornut gleich, wobei die Stromrichtungen der Ströme durch die Spulen der dritten Statornut und der zweiten Spule der zweiten Statornut entgegengesetzt sind. Derartige Stromrichtungen sind hinsichtlich des Überkoppelns und des Feldverlaufs optimal.In a preferred embodiment, a current direction of the currents through the coils of the first stator slot and the first coil of the second stator slot are equal, the current directions of the currents through the coils of the third stator slot and the second coil of the second stator slot being opposite. Such current directions are optimal in terms of over-coupling and field characteristics.

Vorteilhaft sind in einer vierten Statornut zwei Spulen einer dritten Phase angeordnet, wobei in einer der vierten Statornut benachbarten fünften Statornut eine erste Spule der dritten Phase und eine zweite Spule einer ersten Phase angeordnet sind und wobei in einer der fünften Statornut benachbarten sechsten Statornut zwei Spulen der ersten Phase angeordnet. Ferner bietet die Beschaltung eine große Flexibilität hinsichtlich einer Optimierung, beispielsweise bezüglich des Überkoppelns und des Feldverlaufs, da den Spulen der jeweiligen Phasen jeweils unterschiedliche Wicklungssysteme zuordenbar sind.Two coils of a third phase are advantageously arranged in a fourth stator slot, wherein a first coil of the third phase and a second coil of a first phase are arranged in a fourth stator slot adjacent to the fifth stator slot and two coils of the sixth stator slot adjacent to one of the fifth stator slot arranged first phase. Furthermore, the circuit offers great flexibility with regard to an optimization, for example with regard to the coupling over and the course of the field, since the coils of the respective phases can each be assigned different winding systems.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind in der vierten Statornut und in der sechsten Statornut Spulen des zweiten Wicklungssystems angeordnet, wobei in der fünften Statornut Spulen des ersten Wicklungssystems angeordnet sind. Durch eine derartige alternierende Belegung der Statornuten wird eine Verringerung des Überkoppelns zwischen den Wicklungssystemen erreicht.In an advantageous embodiment, coils of the second winding system are arranged in the fourth stator slot and in the sixth stator slot, coils of the first winding system being arranged in the fifth stator slot. Such an alternating assignment of the stator slots achieves a reduction in overcoupling between the winding systems.

Vorteilhaft sind in einer siebten Statornut zwei Spulen einer zweiten Phase angeordnet, wobei in einer der siebten Statornut benachbarten achten Statornut eine erste Spule der zweiten Phase und eine zweite Spule einer dritten Phase angeordnet sind und wobei in einer der achten Statornut benachbarten neunten Statornut zwei Spulen der dritten Phase angeordnet sind. Diese Phasenzuordnung ist auch bei hohen Nutzahlen ausreichend übersichtlich. Darüber hinaus ist die Beschaltung flexibel hinsichtlich einer Optimierung durch eine variable Zuordnung unterschiedlicher Wicklungssysteme.Two coils of a second phase are advantageously arranged in a seventh stator slot, wherein a first coil of the second phase and a second coil of a third phase are arranged in one of the seventh stator slot adjacent to the eighth stator slot and adjacent to one another in one of the eighth stator slot ninth stator slot two coils of the third phase are arranged. This phase assignment is sufficiently clear even with high numbers of users. In addition, the wiring is flexible in terms of optimization by a variable assignment of different winding systems.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind in der siebten Statornut und in der neunten Statornut Spulen des ersten Wicklungssystems angeordnet, wobei in der achten Statornut Spulen des zweiten Wicklungssystems angeordnet sind. Durch eine derartige alternierende Belegung der Statornuten wird eine Verringerung des Überkoppelns zwischen den Wicklungssystemen erreicht.In an advantageous embodiment, coils of the first winding system are arranged in the seventh stator slot and in the ninth stator slot, coils of the second winding system being arranged in the eighth stator slot. Such an alternating assignment of the stator slots achieves a reduction in overcoupling between the winding systems.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Statorwicklung eine Nutzahl zwischen 50 und 150 auf. Eine derartige Nutzahl ermöglicht insbesondere unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten einen besonders vorteilhaften Aufbau der elektrischen rotierenden Maschine, wobei die maximal sinnvolle Nutzahl abhängig von einem Innendurchmesser des Stators ist. Die maximal sinnvolle Nutzahl ist bestimmt durch fertigungstechnische Schwierigkeiten bei der Herstellung der Nuten sowie durch Probleme beim Einbringen der Spulen in die Nuten. Die minimale geeignete Nutzahl ergibt sich durch einen größeren Oberwellengehalt in der resultierenden Feldkurve des Generators und hierdurch bedingte stärkere Abweichungen der Spannungskurve von der Sinusform und/oder durch höhere Verluste.In a preferred embodiment, the stator winding has a number of slots between 50 and 150. Such a number of slots allows, in particular under production engineering aspects, a particularly advantageous construction of the electric rotating machine, wherein the maximum useful number of slots depends on an inner diameter of the stator. The maximum useful number of slots is determined by manufacturing difficulties in the manufacture of the grooves and by problems in introducing the coils in the grooves. The minimum suitable number of slots results from a greater harmonic content in the resulting field curve of the generator and thus stronger deviations of the voltage curve from the sinusoidal shape and / or higher losses.

In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Lochzahl der Bruchlochwicklung 3/2. Grundsätzlich sollte die Lochzahl möglichst niedrig liegen, da eine zu große Lochzahl, insbesondere bei höherpoligen elektrischen rotierenden Maschinen, zu einer großen Nutzahl führt, was mit den bereits erwähnten fertigungstechnischen und wickeltechnischen Schwierigkeiten einhergeht. Die Untergrenze der Lochzahl ergibt sich ebenfalls aus der resultierenden Nutzahl, wobei eine zu niedrige Nutzahl zu einem hohen Oberwellengehalt im Luftspaltfeld führt.In a preferred embodiment, the number of holes of the Bruchlochwicklung 3/2. Basically, the number of holes should be as low as possible, because too large a number of holes, especially in higher-pole electric rotating machines, leads to a large number of slots, which is associated with the aforementioned technical manufacturing and winding technical difficulties. The lower limit of the number of holes also results from the resulting number of slots, with a too low number of slots leading to a high harmonic content in the air gap field.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

FIG 1: einen Querschnitt einer elektrischen rotierenden Maschine,
FIG 2: einen vergrößerten Querschnitt eines Stators im Bereich einer Statorwicklung und
FIG 3: einen Nutbelegungsplan einer ersten Ausführungsform einer Statorwicklung,
FIG 4: einen Nutbelegungsplan einer zweiten Ausführungsform einer Statorwicklung und
FIG 5: ein Schiff mit einem Gondelantrieb.

In the following the invention will be described and explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures. Show it:

FIG. 1: a cross section of an electric rotating machine,
FIG. 2: an enlarged cross section of a stator in the region of a stator winding and
FIG. 3: a slot layout of a first embodiment of a stator winding,
FIG. 4: a Nutbelegungsplan a second embodiment of a stator winding and
FIG. 5: a ship with a gondola drive.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.Like reference numerals have the same meaning in the various figures.

FIG 1 zeigt einen Querschnitt einer elektrischen rotierenden Maschine 2, welche als eine permanenterregte Synchronmaschine ausgeführt ist. Die permanenterregte Synchronmaschine ist beispielsweise dafür geeignet ein Schiff anzutreiben. Die elektrische rotierende Maschine 2 weist einen um eine Rotationsachse 4 rotierenden Rotor 6 und einen den Rotor 6 umgebenden Stator 8 auf, wobei der Rotor 6 vom Stator 8 durch einen Fluidspalt 10, insbesondere Luftspalt, getrennt ist. Der Rotor 6 und der Stator 8 sind insbesondere geblecht ausgeführt. Die elektrische rotierende Maschine 2 ist in einem Gehäuse 12 angeordnet, das an einer Antriebsseite AS und an einer Nicht-Antriebsseite BS jeweils ein Lager 14 hält. Der Rotor 6 umfasst darüber hinaus eine Welle 16, welche auf den Lagern 14 aufliegt. Der Rotor 6 weist eine Vielzahl von Permanentmagneten 18 auf. Alternativ werden die Pole des Rotors 6 durch Erregerspulen gebildet. Der Stator 8 weist eine Statorwicklung 20 auf, die in Statornuten 22 eines Statorblechpakets 24 verläuft. Die Statorwicklung 20 weist zwei getrennte redundante dreiphasige Wicklungssysteme auf, die jeweils von einem Umrichter (nicht in FIG 1 dargestellt) gespeist werden. Bei einem Ausfall beispielsweise eines Umrichters oder eines Schadens innerhalb eines der Wicklungssysteme wird die elektrische rotierende Maschine 2 mit verminderter Leistung betrieben. FIG. 1 shows a cross section of an electric rotating machine 2, which is designed as a permanent-magnet synchronous machine. The permanent-magnet synchronous machine is suitable, for example, for propelling a ship. The electric rotating machine 2 has a rotor 6 rotating about a rotation axis 4 and a stator 8 surrounding the rotor 6, the rotor 6 being separated from the stator 8 by a fluid gap 10, in particular an air gap. The rotor 6 and the stator 8 are designed in particular laminated. The electric rotating machine 2 is arranged in a housing 12 which holds a bearing 14 on a drive side AS and on a non-drive side BS, respectively. The rotor 6 further includes a shaft 16 which rests on the bearings 14. The rotor 6 has a plurality of permanent magnets 18. Alternatively, the poles of the rotor 6 are formed by exciting coils. The stator 8 has a stator winding 20 which runs in stator slots 22 of a laminated stator core 24. The stator winding 20 has two separate redundant three-phase winding systems, each from a converter (not in FIG. 1 shown). In the event of a failure of, for example, an inverter or damage Within one of the winding systems, the electric rotating machine 2 is operated at a reduced power.

FIG 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Stators 8 im Bereich einer Statorwicklung 20. Die Statorwicklung 20 ist als gesehnte Zweischichtwicklung ausgeführt, wobei zwei Spulen desselben Wicklungssystems U1, V1, W1; U2, V2, W2 in jeder Statornut 22 des Statorblechpakets 24 verlaufen. In den benachbarten Statornuten 22 sind Spulen eines weiteren Wicklungssystems U2, V2, W2; U1, V1, W1 angeordnet, sodass die Statornuten 22 alternierend von Spulen 26, 30 des ersten Wicklungssystems U1, V1, W1 und des zweiten Wicklungssystems U2, V2, W2 besetzt sind. Eine Spulenweite 34 der gesehnten Zweischichtwicklung beträgt vier Statornuten 22, sodass sich jeweils eine Spule von einer oberen Wicklungsschicht 28 einer Statornut 22 zu einer unteren Wicklungsschicht 32 einer exemplarisch im Uhrzeigersinn vier Statornuten 22 entfernten Statornut 22 erstreckt. Die Spulen 26, 30 sind beispielsweise als Formspulen ausgeführt. Die weitere Ausführung des Stators 8 entspricht der Ausführung in FIG 1. FIG. 2 shows an enlarged cross section of a stator 8 in the region of a stator winding 20. The stator winding 20 is designed as a stretched two-layer winding, wherein two coils of the same winding system U1, V1, W1; U2, V2, W2 in each stator 22 of the stator lamination 24 extend. In the adjacent stator slots 22 are coils of another winding system U2, V2, W2; U1, V1, W1 arranged so that the stator 22 are alternately occupied by coils 26, 30 of the first winding system U1, V1, W1 and the second winding system U2, V2, W2. A coil width 34 of the stretched two-layer winding is four stator slots 22, so that in each case one coil extends from an upper winding layer 28 of a stator slot 22 to a lower winding layer 32 of a stator slot 22 which is an exemplary clockwise four stator slots 22. The coils 26, 30 are designed, for example, as forming coils. The further embodiment of the stator 8 corresponds to the embodiment in FIG. 1 ,

FIG 3 zeigt einen Nutbelegungsplan einer ersten Ausführungsform einer Statorwicklung 20. Die Statorwicklung 20 weist zwei redundante dreiphasige Wicklungssysteme U1, V1, W1; U2, V2, W2 auf, wobei jedes der beiden Wicklungssysteme U1, V1, W1; U2, V2, W2 geeignet ist, von einem eigenen Umrichter (nicht in FIG 3 dargestellt) gespeist zu werden. Die Statorwicklung 20 ist als Bruchlochwicklung ausgeführt. Eine Bruchlochwicklung weist eine Lochzahl q als Quotient aus der Nutzahl N, dividiert durch die Polzahl 2p und die Phasenzahl m auf, welche keine ganze Zahl sondern eine Bruchzahl ist: $q = \frac{N}{2 p \cdot m}$

FIG. 3 shows a Nutbelegungsplan a first embodiment of a stator winding 20. The stator winding 20 has two redundant three-phase winding systems U1, V1, W1; U2, V2, W2, wherein each of the two winding systems U1, V1, W1; U2, V2, W2 is suitable, from its own inverter (not in FIG. 3 shown) to be fed. The stator winding 20 is designed as a broken hole winding. A broken hole winding has a number of holes q as a quotient of the number N of slots, divided by the number of poles 2p and the number of phases m, which is not an integer but a fraction:

q = \frac{N}{2 p \cdot m}

Exemplarisch weist die Statorwicklung 20 in FIG 3 eine Lochzahl q=3/2 auf. Der gesamte Stator 8 umfasst beispielhaft 90 Nuten, wobei der Nutbelegungsplan für die in FIG 3 gezeigten 18 Statornuten 22a-22r fünf Mal fortgesetzt wird. In jeder der Statornuten 22a-22r sind Spulen 26, 30 desselben Wicklungssystems U1, V1, W1; U2, V2, W2 angeordnet, wobei die Statornuten 22a-22r alternierend von Spulen 26, 30 des ersten Wicklungssystems U1, V1, W1 und des zweiten Wicklungssystems U2, V2, W2 besetzt sind. Die Spulenweite 34 beträgt, wie in FIG 2, beispielhaft vier Statornuten, d.h., die untere Wicklungsschicht 32 ist gegenüber der oberen Wicklungsschicht 28 um vier Nuten versetzt.As an example, the stator winding 20 in FIG. 3 a hole number q = 3/2 on. The entire stator 8 includes 90 by way of example Grooves, whereby the slot allocation plan for the in FIG. 3 18 stator slots 22a-22r are continued five times. In each of the stator slots 22a-22r are coils 26, 30 of the same winding system U1, V1, W1; U2, V2, W2 arranged, wherein the stator 22a-22r are alternately occupied by coils 26, 30 of the first winding system U1, V1, W1 and the second winding system U2, V2, W2. The coil width is 34, as in FIG. 2 four stator slots, that is, the lower winding layer 32 is offset from the upper winding layer 28 by four grooves.

In einer ersten Statornut 22a sind zwei Spulen 26, 30 einer ersten Phase U1 des ersten Wicklungssystems U1, V1, W1 angeordnet. In einer der ersten Statornut 22a benachbarten zweiten Statornut 22b sind eine erste Spule 26 einer ersten Phase U2 des zweiten Wicklungssystems U2, V2, W2 und eine zweite Spule 30 einer zweiten Phase V2 des zweiten Wicklungssystems U2, V2, W2 angeordnet. In einer der zweiten Statornut 22b benachbarten dritten Statornut 22c sind zwei Spulen 26, 30 einer zweiten Phase V1 des ersten Wicklungssystems U1, V1, W1 angeordnet.In a first stator 22a, two coils 26, 30 of a first phase U1 of the first winding system U1, V1, W1 are arranged. In a second stator slot 22b adjacent to the first stator slot 22a, a first coil 26 of a first phase U2 of the second winding system U2, V2, W2 and a second coil 30 of a second phase V2 of the second winding system U2, V2, W2 are arranged. In a third stator slot 22c adjacent to the second stator slot 22b, two coils 26, 30 of a second phase V1 of the first winding system U1, V1, W1 are arranged.

Die Stromrichtungen der Ströme durch die Spulen 26, 30 der ersten Statornut 22a und der ersten Spule 26 der zweiten Statornut 22b sind gleich. Die Stromrichtungen der Ströme durch die Spulen 26, 30 der dritten Statornut 22c und der zweiten Spule 30 der zweiten Statornut 22b sind dem entgegengesetzt.The current directions of the currents through the coils 26, 30 of the first stator slot 22a and the first coil 26 of the second stator slot 22b are the same. The current directions of the currents through the coils 26, 30 of the third stator slot 22c and the second coil 30 of the second stator slot 22b are opposite thereto.

In einer vierten Statornut 22d sind zwei Spulen 26, 30 einer dritten Phase W2 des zweiten Wicklungssystems U2, V2, W2 angeordnet. In einer der vierten Statornut 22d benachbarten fünften Statornut 22e sind eine erste Spule 26 einer dritten Phase W1 des ersten Wicklungssystems U1, V1, W1 und eine zweite Spule 30 der ersten Phase U1 des ersten Wicklungssystems U1, V1, W1 angeordnet. In einer der fünften Statornut 22e benachbarten sechsten Statornut 22f sind zwei Spulen 26, 30 der ersten Phase U2 des zweiten Wicklungssystems U2, V2, W2 angeordnet.In a fourth stator 22d two coils 26, 30 of a third phase W2 of the second winding system U2, V2, W2 are arranged. In a fifth stator slot 22e adjacent to the fourth stator slot 22d, a first coil 26 of a third phase W1 of the first coil system U1, V1, W1 and a second coil 30 of the first phase U1 of the first coil system U1, V1, W1 are arranged. In a sixth stator slot 22f adjacent to the fifth stator slot 22e, two coils 26, 30 of the first phase U2 of the second winding system U2, V2, W2 are arranged.

In einer siebten Statornut 22g sind zwei Spulen 26, 30 der zweiten Phase V1 des ersten Wicklungssystems U1, V1, W1 angeordnet. In einer der siebten Statornut 22g benachbarten achten Statornut 22h sind eine erste Spule 26 einer zweiten Phase V2 des zweiten Wicklungssystems U2, V2, W2 und eine zweite Spule 30 der dritten Phase W2 des zweiten Wicklungssystems U2, V2, W2 angeordnet. In einer der achten Statornut 22h benachbarten neunten Statornut 22i sind zwei Spulen 26, 30 der dritten Phase W1 des ersten Wicklungssystems U1, V1, W1 angeordnet.In a seventh stator slot 22g, two coils 26, 30 of the second phase V1 of the first winding system U1, V1, W1 are arranged. A first coil 26 of a second phase V2 of the second winding system U2, V2, W2 and a second coil 30 of the third phase W2 of the second winding system U2, V2, W2 are arranged in an eighth stator slot 22h adjacent to the seventh stator slot 22g. In a ninth stator slot 22i adjacent to the eighth stator slot 22h, two coils 26, 30 of the third phase W1 of the first winding system U1, V1, W1 are arranged.

Die Belegung der zehnten bis achtzehnten Statornut 22j-22r entspricht der Belegung der ersten bis neunten Statornut 22a-22i, wobei jedoch die Wicklungssysteme vertauscht sind, das heißt beispielsweise befinden sich in der ersten Statornut 22a Spulen 26, 30 der ersten Phase U1 des ersten Wicklungssystems U1, V1, W1 und in der zehnten Statornut 22j Spulen 26, 30 der ersten Phase U2 des zweiten Wicklungssystems U2, V2, W2.The occupancy of the tenth to eighteenth stator slots 22j-22r corresponds to the occupancy of the first to ninth stator slots 22a-22i, but the winding systems are reversed, that is, for example, there are coils 26, 30 of the first phase U1 of the first winding system in the first stator slot 22a U1, V1, W1 and in the tenth stator slot 22j coils 26, 30 of the first phase U2 of the second winding system U2, V2, W2.

Mit dem in FIG 3 gezeigten Nutbelegungsplan werden eine gute Feldverteilung, auch bei einer Speisung nur eines der Wicklungssysteme U1, V1, W1; U2, V2, W2, und eine optimale Entkopplung der Wicklungssysteme U1, V1, W1; U2, V2, W2 zueinander erreicht. Die Bruchlochwicklung sorgt dafür, dass sich das Schaltschema erst nach 4 magnetischen Polen wiederholt. Die weitere Ausführung der Statorwicklung 20 entspricht der Ausführung in FIG 2.With the in FIG. 3 shown Nutbelegungsplan be a good field distribution, even with a supply of only one of the winding systems U1, V1, W1; U2, V2, W2, and optimal decoupling of the winding systems U1, V1, W1; U2, V2, W2 reached each other. The break hole winding ensures that the circuit diagram repeats after 4 magnetic poles. The further embodiment of the stator winding 20 corresponds to the embodiment in FIG. 2 ,

FIG 4 zeigt einen Nutbelegungsplan einer zweiten Ausführungsform einer Statorwicklung 20. Die Statorwicklung 20 weist, wie in FIG 3, zwei redundante dreiphasige Wicklungssysteme U1, V1, W1; U2, V2, W2 auf und die Statorwicklung 20 ist als Bruchlochwicklung mit einer Lochzahl q=3/2 ausgeführt. Mit dem in FIG 4 gezeigten Nutbelegungsplan wird ein günstiges Verhalten in Bezug auf Oberwellen erzielt. Die weitere Ausführung der Statorwicklung 20 entspricht der Ausführung in FIG 3. FIG. 4 shows a Nutbelegungsplan a second embodiment of a stator winding 20. The stator winding 20 has, as in FIG. 3 , two redundant three-phase winding systems U1, V1, W1; U2, V2, W2 and the stator winding 20 is designed as a broken hole winding with a number of holes q = 3/2. With the in FIG. 4 shown slot plan is achieved a favorable behavior with respect to harmonics. The further embodiment of the stator winding 20 corresponds to the embodiment in FIG. 3 ,

FIG 5 zeigt ein Wasserfahrzeug 36, das als Schiff ausgeführt ist, mit einem Gondelantrieb 38. Der Gondelantrieb 38 befindet sich unter einer Wasseroberfläche 40 und weist eine elektrische rotierende Maschine 2 und einen Propeller 42 auf, wobei der Propeller 42 über die Welle 16 an der Antriebsseite AS mit der elektrischen rotierenden Maschine 2 verbunden ist. Der Stator 8 der elektrischen rotierenden Maschine 2 weist eine Statorwicklung 20 mit zwei redundanten dreiphasigen Wicklungssystemen U1, V1, W1; U2, V2, W2, wie in den vorherigen Figuren dargestellt, auf, die jeweils von einem Umrichter 44, 46 gespeist werden. FIG. 5 shows a watercraft 36, which is designed as a ship, with a nacelle drive 38. The nacelle drive 38 is located below a water surface 40 and has an electric rotating machine 2 and a propeller 42, the propeller 42 via the shaft 16 on the drive side AS is connected to the electric rotating machine 2. The stator 8 of the electric rotating machine 2 has a stator winding 20 with two redundant three-phase winding systems U1, V1, W1; U2, V2, W2, as shown in the previous figures, which are each fed by a converter 44, 46.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Stator 8 für eine elektrische rotierende Maschine 2, wobei der Stator 8 Statornuten 22 aufweist, in denen eine Statorwicklung 20 mit redundanten und zumindest dreiphasigen Wicklungssystemen U1, V1, W1; U2, V2, W2 verlegt ist. Um, im Vergleich zum Stand der Technik, verbesserte elektrische Betriebseigenschaften zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Statorwicklung 20 als Bruchlochwicklung ausgeführt ist.In summary, the invention relates to a stator 8 for an electric rotating machine 2, wherein the stator 8 stator slots 22, in which a stator winding 20 with redundant and at least three-phase winding systems U1, V1, W1; U2, V2, W2 is misplaced. In order to achieve improved electrical operating characteristics compared to the prior art, it is proposed that the stator winding 20 be designed as a break hole winding.

Claims

Stator (8) for an electric rotary machine (2), wherein the stator (8) stator slots (22), in which a stator winding (20) with redundant and at least three-phase winding systems (U1, V1, W1, U2, V2, W2 ), characterized in that the stator winding (20) is designed as a broken hole winding.

Stator (8) according to claim 1, wherein the stator winding (20) is designed as a two-layer winding, wherein coils (26, 30) of the same winding system (U1, V1, W1, U2, V2, W2) are arranged in each of the stator slots (22) ,

Stator (8) according to one of claims 1 or 2, wherein coils (26, 30) of a further winding system (U1, V1, W1, U2, V2, W2) are arranged in each adjacent stator slot (22) of each stator slot (22) ,

Stator (8) according to one of the preceding claims, wherein in a first stator (22a) two coils (26,30) of a first phase (U1, U2) are arranged, wherein in one of the first stator (22a) adjacent the second stator (22b ) a first coil (26) of the first phase (U1, U2) and a second coil (30) of a second phase (V1, V2) are arranged and wherein in one of the second stator (22b) adjacent the third stator (22c) two coils (26,30) of the second phase are arranged (V1, V2).

The stator (8) according to claim 4, wherein coils (26, 30) of the first winding system (U1, V1, W1) are arranged in the first stator slot (22a) and the third stator slot (22c), and wherein in the second stator slot (22b ) Coils (26,30) of the second winding system (U2, V2, W2) are arranged.

The stator (8) according to any one of claims 4 or 5, wherein a current direction of the currents through the coils (26, 30) of the first stator slot (22a) and the first coil (26) of the second stator slot (22b) are the same and wherein the current directions of the currents through the coils (26,30) of the third stator (22c) and the second coil (30) of the second stator (22b) are opposite.

Stator (8) according to any one of claims 4 to 6, wherein in a fourth stator (22d) two coils (26,30) of a third phase (W1, W2) are arranged, wherein in one of the fourth stator (22d) adjacent the fifth stator (22e) a first coil (26) of the third phase (W1, W2) and a second coil (30) of a first phase (U1, U2) are arranged and wherein in a fifth stator (22e) adjacent the sixth stator (22f) two coils (26,30) of the first phase (U1, U2) are arranged.

The stator (8) according to claim 7, wherein coils (26, 30) of the second winding system (U2, V2, W2) are arranged in the fourth stator slot (22d) and the sixth stator slot (22f), and wherein in the fifth stator slot (22e ) Coils (26,30) of the first winding system (U1, V1, W1) are arranged.

Stator (8) according to one of claims 4 to 8, wherein in a seventh stator (22g) two coils (26,30) of a second phase (V1, V2) are arranged, wherein in one of the seventh Statornut (22g) adjacent eighth Statornut (22h) a first coil (26) of the second phase (V1, V2) and a second coil (30) of a third phase (W1, W2) are arranged and wherein in one of the eighth stator (22h) adjacent ninth stator (22i) two coils (26,30) of the third phase (W1, W2) are arranged.

The stator (8) according to claim 9, wherein coils (26, 30) of the first winding system (U1, V1, W1) are arranged in the seventh stator slot (22g) and the ninth stator slot (22i), and wherein in the eighth stator slot (22h ) Coils (26,30) of the second winding system (U2, V2, W2) are arranged.

Stator (8) according to one of the preceding claims, wherein the stator winding (20) has a number of slots (N) between 50 and 150.

Stator (8) according to one of the preceding claims, wherein the number of holes (q) of the break hole winding is 3/2.

Electric rotary machine (2) with at least one stator (8) according to one of claims 1 to 12.

Watercraft (36), in particular a ship, with at least one electric rotating machine (2) according to Claim 13.